物理学上的突破可以引领到更新更高效的量子计算机

投稿：喵喵叫專業戶
原文：https://thenextweb.com/news/physics-breakthrough-could-lead-new-more-efficient-quantum-computers

每次以一个光子，就能解决科学，技术，工程和数学上最困难的问题

最近，一支来自马克斯普朗克量子光学研究所(Max Planck Institute of Quantum Optics)的科学家队伍展示了一项破纪录的实验，这项实验有可能会颠覆量子计算这个行业。

1. 量子雪山上的滑行障碍赛
(译者: 原意是指那种在雪山上插满旗子，一左一右穿行的滑雪障碍赛。 这里引申来比喻量子计算机在研发过程中的困难和挑战。)

现时，科学，技术，工程和数学的研究人员正面临着的最大的挑战之一，就是打造一台能容忍错误(译者: 能容忍错误是指，就算局部发生错误，也不至于立刻影响整体。 只要整体不会立刻被破坏，小范围的错误是临时被允许的，在将来能通过增加检验和修正的步骤来抵抗错误。 例如，如果你发现一个小步骤里出现负数，你可以添加一个取绝对值的操作来修正。)，能稳定运行(译者: 与运算结果正确与否无关，只要每次的结果都是固定的，能被重复实现的，都叫做稳定运行。 例如，4+6=24或者4+6=10，只要运算结果每次都一样，就是稳定运行。)的量子计算机，所面对的困难。 (译者: 3个阶段，先能抵抗小范围的错误，再谈错误能不能以固定步骤重复出现，最后再谈如何修正。)

本质上来说，现代的物理学家正在两个极端之间疲于奔命。 要么是需要把量子计算机的规模增大到一个堪用的大小(译者: 堪用的大小是指，你手上的工具在合理的步骤之内能解决问题。 例如，到小区门前便利店购买饮料，双腿就算是堪用的大小。 例如，从广州到北京旅游，高速铁路和飞机就算是堪用的大小。)，要么是需要对各种因为系统的规模增大了而产生的，繁杂多样的错误进行反击。 (译者: 系统的研发其实是一个三角关系，当系统的规模增大，就会同时朝向更强的性能和更明显的错误。 上文所述的两端，是指性能和错误两端，而不是指只有这两端。 系统的研发本来就是为了解决越来越庞大的问题的，所以系统本身的规模就只能增大不能减小。 随着系统规模的增大，潜在错误会累积放大，最终导致系统不可用。 解决方法之一是把系统规模重新压缩回去，当然这是不现实的，因为我们的目的就是增大系统规模。 所以只能走另一条路线，就是继续增大系统规模，使用其中一部分新系统来对旧系统的错误进行修正。 原文中的前后奔跑是指，研发过程一直处于一下子水就加多了，一下子面粉就加多了，难以找到一个中间平衡的状态。 这一段话更深入的理解是，系统规模本身是一直在增大，无可避免的。 研发人员纠结的地方在于把新增的性能用于解决更大的问题，还是解决更多的错误。 例如，你正在游玩角色扮演游戏，难得获得一小笔金钱，是购买更好的武器呢，还是购买更好的防具呢。)

当我们谈及量子比特，也就是普通电子计算机里的普通比特的量子化版本时，通常来说都是越大越好的。 但越大也就越容易发生错误，容易得多。

造成这种情况的主要原因是，难以置信地困难，不依赖一些随机的状态的话，要可靠地产生(译者: 原文强调从有到有。)一个量子比特是如此地难以置信地困难。 这就是所谓的用来生成(译者: 原文强调从无到有。)量子比特的概率性方法。

还是本质上来说，科学家们只是胡乱地把材料捣鼓一下，东拼西凑地，直至想要的那个结果自己跳出来。

而，马克斯普朗克量子光学研究所的研究员选择了一条不同的路线。

根据他们的论文:

我们提出了一种纠缠了(译者: 纠缠是指具有一种可计算的内部关系。 例如，商家告诉你这里有2个盒子，分别密封了1黑1白2个小球。 你相信他了，那盒子之间就叫做纠缠了。 你随便选择其中一个盒子，拿回家再打开。 看到里面小球的颜色之后，你就能立刻推断商店里的另一个小球的颜色。)的光子的来源，它既可以随意扩展(译者: 同上，一般是指可以随意增大规模。)，又可以自由编程(译者: 指作为一种基本小元件，通过增大规模，来解决你的大问题。 自由一般是指损耗较小，可以关注在解决问题上，而不是忧心在解决错误。)。 通过这种光源，我们示范了，至少就我们所知吧，目前为止最大型的可见光光子的纠缠状态。

2. 让我们潜入量子的海洋里深入一点

(译者: 既暗示了本部分会稍微深入讲解知识原理，也暗示了从雪山的研发路线切换到海洋的研发路线。)

量子计算依赖于纠缠状态(译者: 计算本身依赖关系，依赖确定性。 而量子之间可以产生纠缠的关系，那么量子就可以用于计算。 使用量子进行计算的领域，就是量子计算。)，就是说，两个或者更多个物件以一种特别的方式提前准备好。 有多神奇的一种方式? 发生在其中一个物件上的事情，都能够立刻影响到另一个物件，根本不用管它们之间有多遥远。 (译者: 这一段落想要解释的是，纠缠关系本身是确定的，所以能用于计算。)

通常来说，光子(形成光线的独立单位)能在一类特别的水晶体里面被纠缠好。 这导致了一种相对来说无法预测的纠缠状态。 无法预测也就是说它是概率性的，科学家们很难利用这个方法有效率地生成量子比特。 (译者: 这一段落想要解释的是，纠缠关系中的个体，单独来说是怎么样的状态，不经过检查的话，无法提前知道，只能靠瞎猜。 学术上的说法就是概率性的。)

马克斯普朗克量子光学研究所的团队摆脱了水晶体制造室(译者: 不是说当初有一间现实中的房间叫做水晶体制造室，用来制作水晶体，现在不再使用它了。 而是指水晶体材料内部的腔，内部的物质结构，才是制造纠缠光子的微小场所。 切勿误解。)，作为替代，将单独一个的原子转换成了纠缠光子的生成器。 (译者: 有什么深远的影响吗? 使用水晶体制造室的方法就是使用一大堆原子，一大堆到构成了你肉眼看得见的水晶体物质，才能产生纠缠状态。 新的方法是只需使用一个原子，一个小到你肉眼看不见的原子，就能产生纠缠状态。 质变如此之大，所以原文使用了摆脱一词。)

根据马克斯普朗克量子光学研究所的新闻发言稿:

研究人员们在一个光学谐振器(译者: 一般来说，是一些镜片的特定组合，统称为一个谐振器。 例如，一些学生的特定组合，统称为一个班。 使光线在内部循环，产生需要的特性。)中生成了多达14个纠缠了的光子，这些纠缠好了的光子能以既有针对性，又有高效率的方法，被制备成具有特定的量子物理状态。 这套新的方法能促进强大又稳健的量子计算机更快地被建造出来，服务于将来的数据能安全地传送。 (译者: 目前在信息安全领域，评价一个加密方法的安全性能，事实上是去赌破解方有多少运算时间和有多少运算流量去进行暴力破解。 在计算设备运算流量增强和计算设备价格更低两方面影响之下，现时所使用的加密方法面对的风险肯定是越来越高的。 量子计算机的其中一个用途是提升原始总运算量，使破解方只使用普通计算机进行破解时，所需要的运算时间和运算流量重新增大，使加密方法维持在一个好用的程度。)

马克斯普朗克量子光学研究所的团队使用这种方法成功战胜了上一个记录(译者: 有可能是指突破了自己的记录。)，上一个记录是生成了12个纠缠了的光子，并且他们的生成水平(译者: 可以大概理解为，连续工作时的有效程度。)也达到了接近50%(译者: 作为对比感受，给出一组日常生活实例。 TOYOTA丰田公司所生产的混合动力系统的引擎，燃烧效率比是41%，即41%的汽油能量消耗在真实的移动运动，59%的汽油能量消耗在所谓的技术限制。 20万公里长期测试的综合效率为29。1KM/L或3。44L/100KM。)的位置。

换句话说，他们有接近50%的时间能生成稳定的纠缠了的光子。 这使他们能对光子本身进行更长时间的，更准确的测量。

3. 欢呼吗?

这真的就是一个「欢呼时刻」了吧，就像谷歌(Google)公司最近(译者: 2021年11月30日，由 Xiao MI，Matteo IPPOLITI 等共105人。)的发现，时间水晶，一样。

根据研究人员们的说法，这项生成稳定的量子比特的技术可能对整个量子计算领域都产生巨大影响，尤其是在调整规模大小的能力(译者: 同上，指迅速增大规模。)和降低内部错误(译者: 指这项技术生成的量子比特本身就是低错误的，别的团队如果借用这项技术，某种程度上可以不再操心在解决内部错误之上，节省很多成本。 这是一句针对下游应用的说法，而不是说能帮助别的团队降低他们的技术上已经产生的内部错误。)这两项上:

在这个阶段，我们的系统主要面对着一些技术限制(译者: 技术限制是指，理论没有问题，但是过程中需要用到的其他工具配合不上。 例如，在1966年，光学纤维能用于光学通信的理论成文并发表，但直到1970年，低损耗的光学纤维才研发成功。 那么站在1966年来看，就是技术限制。 原文这里强调的是研究人员对此技术的信心，指出此研发路线的方向是对或者至少说是有前途的。 如果他们不打算自己去攻克技术难点的话，就会向外释放信号，鼓励上游团队去解决这些技术限制。)，例如光学损耗(译者: 指光线走过的路程越长，前述谐振器中所使用的透镜越多，最后的能量就越小。。)，有限的(译者: 原文强调源自自身的有限，另一种有限是源自外部的，受限制的。)协同性(译者: 可以大概理解为，系统的组成部分之间，互相配合工作时，随着系统的规模增大，内部错误会累积和放大，影响最后的结果。)，和不完美的 Raman 脉冲(译者: 可以大概理解为，一种像X光那样的观测验证工具，这种工具有一些使用上的局限性。)。 在这些方面(译者: 指上述技术限制。)，即使只是轻微的一些改善，也能把我们推进到边界之内，推进到对损失和故障的容忍的边界之内，这样对于纠正量子上的错误这件事就变得触手可及了。 (译者: 考试的时候，你可以在第一遍就算对，也可以增加一个检查验算的步骤，最终得分也是能提高的。 这一段落的意思是，上游团队有任何的进展的话，这项技术都会是受益者，下游的量子计算机就更容易制造出来了。)

需要一些时间，我们才能看到，从这个实验性的量子比特生成方法，转换为实际的计算设备(译者: 原文强调只考虑转换到基础的计算设备，暂时不考虑太长远，不考虑转换到计算机这样高度整合的形式。)，能转换得有多好，但确实是有充足的理由让我们保持乐观。

量子比特可以以许多不同的方法制造出来，每一种方法都有其独特的机械架构。 而这种方法的好处是，科学家们能够只使用一个原子，就能生成他们想要的结果。

这也表示这项技术在量子计算之外也是能发挥作用的(译者: 这种技术能生成纠缠了的光子，纠缠了的光子不一定要用到量子计算中。)。 举例吧，如果它能被改进成一个双原子的系统，它可能会发展成安全量子通信(译者: 主要特性是第三方无法从中修改信息，这里的安全指的是不被篡改，而不是不被窃听。)中的一种全新方法。

单词表

1. Raman脉冲。 以印度(India)物理学家 Chandrasekhara Venkata RAMAN 命名的技术。 Raman生卒年份1888年11月至1970年11月，有译「拉曼」。

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